洞察：风力发电机组轴承的有限元分析

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偏航变桨轴承是风力发电机组构成和传递载荷的重要部件，风力发电机组主要部件（比如轮毂、机架、塔高法兰等）有限元分析时，都需要考虑其临近部件，如偏航或变桨轴承。如何模拟偏航变桨轴承是风力发电机组部件有限元模型正确模拟的关键，偏航变桨轴承的非线性特性很大程度上影响着有限元分析的精确性，必须正确考虑，然而偏航变桨轴承的内外圈和滚子全部体建模将会带来复杂的接触关系，计算难以收敛。本文使用ANSYS软件中的10单元组模拟滚子，通过合理设置10单元的刚度和初始应变，使10单元组和轴承滚道滚子接触对具有相同的非线性接触刚度，而且在载荷改变时也可以模拟出滚道滚子接触角变化的特性。比较后通过有限元计算和轴承理论计算比较，验证了其载荷传递的正确性。本文的方法不仅可以正确考虑风力发电机组有限元模型中轴承的非线性特性，而且可以大大简化模型，减少计算量，使风力发电机组主要部件的有限元分析变得捷和精确。有限元分析的最新消息可以到我们平台网站了解一下，也可以咨询客服人员进行详细的解答！http://www.nataid.com/

偏航变桨轴承通常为四点接触盘转轴承或八点接触盘转轴承，图为典型的四点接触盘转轴承的截面示意图。偏航变桨轴承通常采用负游隙或0游隙，轴承沟曲率半径系数为052~053，滚道的半径比滚子半径略大，在轴承不受载荷的初始状态时，滚道和滚子有4个接触点，如图1所示，这4个接触点构成2个接触对，接触对1处于45接触角，接触对2处于135接触角。当偏航变桨轴承受载后，随着载荷的加大，滚子和滚道基本上只有一个接触对接触，在另一个接触对出现间隙，并且接触角也在变化，滚道和滚子的接触刚度随载荷的增大也会变大。轴承在受载后的变化过程是一个典型的非线性变化过程。

接触对滚道之间的法向趋近量与接触载荷的关系为非线性，具体为：接触对1处接触载荷Q1为：Q1=K（1）151＞0010（1）同理，接触对2处接触载荷Q2为：Q2=K（2）152＞0020（2）式中：1和2分别为接触对1和接触对2被滚动体隔开的2个滚道之间的法向趋近量，等于钢球与每个滚道的趋近量之和；K为2个滚道间的载荷位移系数。如果轴承受轴向力F、径向力F以及翻转力矩M作用，根据平衡条件列出的方程组为：F==1&S;Q11+=1&S;Q22F==1&S;Q11-=1&S;Q22M=12D=1&S;Q11-=1&S;Q22&S;（3）式中：钢球总数为；第个钢球的方位角为；接触对1的接触角为1；接触对2的接触角为2。式（3）是一个非线性方程组，当轴承的基本尺寸参数给定时，对应一组外部载荷F、F和M，可以通过牛顿迭代法求解得到各个接触对的法向趋近量。该非线性方程的求解需要编译程序求解，详细的求解过程参考文献。

10单元具有独一二的双线性刚度矩阵特性，使其成为一个仅受拉或仅受压的杆单元，这里设置成仅受压的特性来模拟滚子和滚道的接触属性：滚子和滚道接触时传递法向的接触载荷，滚子和滚道分离时不传递载荷。通过一组10单元来模拟一个滚子，设置合理的10单元参数，就能很好地模拟该类轴承的非线性接触特性，以及接触角度变化和接触刚度的变化特性。

本文采用7根杆单元模拟一个接触对，如图2所示，一个滚子有2个接触对，共需要用14根10单元模拟一个滚子，在45和135方向，滚接触对2接触对1子与滚道刚好接触，在其他方向，滚子与滚道存在间隙，间隙值的大小可以通过滚子和滚道的几何关系求解。